Антенналар мен таралудың негізгі принциптері
Антенналар және таралу сымсыз байланыс жүйелеріндегі екі негізгі ұғым болып табылады. Антенналар тізбектегі электр сигналдарын бос кеңістікте таралатын электромагниттік толқындарға және керісінше түрлендіретін «көпір» қызметін атқарады. Сонымен қатар, таралу бұл электромагниттік толқындардың таратқыштан қабылдағышқа қалай таралатынын, соның ішінде сигнал күші мен сапасына әсер ететін қоршаған орта факторларын зерттейді. Антенналар мен таралудың негізгі принциптерін түсіну ұялы желілерді, хабар тарату радиосын, Wi-Fi, спутниктерді, радарды және тіпті Заттар интернетін (IoT) байланысты жобалау үшін өте маңызды.
1. Антенналарды және олардың функцияларын түсіну
Қарапайым тілмен айтқанда, антенна - радиотолқын энергиясын тарататын немесе қабылдайтын электромагниттік құрылғы. Таратқыш жағында антенна жоғары жиілікті (РЖ) токтар мен кернеулерді ауа немесе басқа орта арқылы таралатын электромагниттік толқындарға түрлендіреді. Қабылдағыш жағында антенна керісінше әрекет етеді: ол электромагниттік толқындарды ұстап, оларды қабылдау құрылғысы өңдейтін электрлік сигналдарға түрлендіреді.
Антеннаның негізгі функцияларына мыналар жатады:
1. Сәулелену: бос кеңістікке радиожиілік энергиясын шығару.
2. Қабылдау: қоршаған ортадан радиожиілік энергиясын ұстайды.
3. Бағыттау: қабылдау ауқымын немесе сапасын арттыру үшін энергияны белгілі бір бағытқа бағыттау.
4. Кедергіні сәйкестендіру: таратқыштан антеннаға немесе антеннадан қабылдағышқа максималды қуатты беруге көмектеседі.
2. Антеннаның маңызды параметрлері
Антеннаның өнімділігі оның физикалық формасымен ғана емес, сонымен қатар бірқатар негізгі техникалық параметрлермен де анықталады.
а. Жиілік және толқын ұзындығы
Антенналар белгілі бір жиіліктерде оңтайлы жұмыс істейді. Жиілік (f) толқын ұзындығымен (λ) келесі қатынас арқылы байланысты:
λ = c / f
мұндағы c - жарық жылдамдығы (шамамен 3 × 10⁸ м/с). Көптеген классикалық антенналар, мысалы, жартылай толқынды (λ/2) немесе ширек толқынды (λ/4) антенналар сияқты бөлшек толқын ұзындықтарымен жасалған, себебі олар жақсы тиімділік береді.
b) Радиациялық үлгі
Сәулелену үлгісі антеннаның сәулелену қуатының әртүрлі бағытта қалай таралатынын сипаттайды. Екі жалпы санат бар:
– Барлық бағытта: көлденең жазықтықта біркелкі сәулеленеді (мысалы: Wi-Fi маршрутизаторындағы монопольді антенна).
– Бағыттау: сәулені белгілі бір бағытқа бағыттайды (мысалдар: Яги антенналары, параболалық антенналар және панельдік антенналар).
Сәулелену үлгісін 2D немесе 3D диаграмма түрінде көрсетуге болады және антеннаның орны мен бағытын анықтау үшін өте пайдалы.
c. Антенна күшейткіші
Күшейту - антеннаның анықтамалық антеннамен салыстырғанда энергияны қаншалықты тиімді шоғырландыратынының өлшемі. Күшейту әдетте dBi (изотропты антеннамен салыстырғанда) немесе dBd (жартылай толқынды дипольмен салыстырғанда) арқылы көрсетіледі. Жоғары күшейту әдетте берілген бағыттағы ұзақ қашықтықты білдіреді, бірақ көбінесе тар сәуле бұрышымен бірге жүреді.
d) өткізу қабілеті
Өткізу қабілеті - антеннаның әлі де жақсы жұмыс істейтін жиілік диапазоны (мысалы, төмен VSWR немесе жақсы қайтару шығыны). LTE, 5G және Wi-Fi сияқты заманауи қолданбалар жоғары жылдамдықты деректерді тасымалдау үшін кең өткізу қабілеттілігін қажет етеді.
e) Поляризация
Поляризация - электромагниттік толқынның электр өрісінің бағыты. Жалпы поляризацияларға мыналар жатады:
– Сызықтық көлденең/тік
– Дөңгелек (RHCP/LHCP)
Таратқыш пен қабылдағыш арасындағы поляризацияны сәйкестендіру маңызды, себебі сәйкессіздік қуаттың айтарлықтай жоғалуына әкелуі мүмкін.
f. Импеданс және VSWR
Антенналардың өзіндік кедергісі бар (көбінесе 50 Ом-ға бағытталған). Антеннаның кедергісі тарату желісіне сәйкес келмеген кезде, қуаттың бір бөлігі таратқышқа кері шағылысады. Бұл VSWR (кернеу тұрақты толқын қатынасы) немесе қайтару шығынымен өлшенеді. VSWR неғұрлым төмен болса, қуат беру соғұрлым жақсы болады.
3. Антенналардың кең таралған түрлері
Жиі кездесетін антенналардың кейбір түрлеріне мыналар жатады:
– Диполь: қарапайым, радиода жиі қолданылады.
– Монополь/қамшы: мобильді құрылғылар мен базалық станцияларда кеңінен қолданылады.
– Яги-Уда: бағытты, әуесқой теледидар мен радио үшін танымал.
– Параболалық тарелка: спутниктік және ұзақ қашықтықтағы байланыстар үшін жоғары күшейту.
– Патч/микрожолақ: кішкентай және біріктіруге оңай, GPS құрылғылары мен ұялы телефондарда кең таралған.
– Массив/MIMO: 5G-де маңызды сәуле қалыптастыруға арналған көптеген элементтердің үйлесімі.
Антенна түрін таңдау жиілік талаптарына, күшейту коэффициентіне, өлшеміне, тарату бағытына және орнату ортасына байланысты.
4. Радиотолқындардың таралу негіздері
Таралу - радиотолқындардың таратқыштан қабылдағышқа өту процесі. Іс жүзінде толқындар әрқашан кедергісіз түзу сызық бойымен тарала бермейді. Жер бедері, ғимараттар, ауа райы және атмосфера қабаттары сияқты көптеген факторлар сигналды күшейтуі немесе әлсіретуі мүмкін.
a. Көру сызығы (LOS) және LOS емес
– LOS (Көру сызығы): таратқыш пен қабылдағыш бір-бірін ешқандай кедергісіз «көреді». Бұл жағдай әдетте ең жақсы сигнал сапасын қамтамасыз етеді.
– NLOS (көру сызығы жоқ): ғимараттар, төбелер немесе ағаштар сияқты кедергілер бар. Сигнал қабылдағышқа шағылысу, дифракция немесе шашыраңқылық арқылы жете алады, бірақ әдетте әлсіреу және бұрмалануды сезінеді.
b) Негізгі көбею механизмі
1. Рефлексия
Бұл толқындар ғимараттар немесе жер сияқты үлкен беттерден шағылысқан кезде пайда болады. Шағылысу сигналдардың бірден көрінбейтін жерлерге жетуіне көмектеседі, бірақ сонымен бірге кедергі келтіруі мүмкін.
2. Дифракция
Толқындар төбелер немесе ғимараттар сияқты заттардың шетінен «иілуі» мүмкін. Дифракция көлеңкелі жерлерде байланыс орнатуға мүмкіндік береді, бірақ сигнал қуаты әдетте төмендейді.
3. Шашыраңқылық
Бұл толқындар жапырақтар, бағаналар немесе тегіс емес беттер сияқты кішкентай заттарға немесе кедір-бұдыр беттерге соқтығысқанда пайда болады. Шашырау көбінесе жоғары жиіліктерде және қалалық ортада басым болады.
4. Абсорбция
Бетон қабырғалар, су және адам денесі сияқты кейбір материалдар толқын энергиясын сіңіреді. Жоғары жиіліктерде (мысалы, мм толқын) жаңбыр мен атмосфераның жұтылуы маңыздырақ болады.
c. Көп жолды және сөнуді
Нақты әлемдегі ортада сигналдар көбінесе қабылдағышқа бірнеше жолдар (көп жолдар) арқылы келеді. Бұл жолдардың жүру уақыты мен фазалары әртүрлі, сондықтан бір-бірін күшейтуі немесе әлсіретуі мүмкін. Сигнал деңгейінің тез өзгеруінің бұл құбылысы сөну деп аталады. Мұны шешу үшін қазіргі заманғы жүйелер келесі әдістерді қолданады:
– Әртүрлілік (антеннаның әртүрлілігі)
– MIMO
– OFDM
– Теңестіру
5. Таралу шығынының моделі (жол шығыны)
Қашықтық артқан сайын қабылданған сигнал қуаты төмендейді. Бос кеңістікте шығындарды бос кеңістік жолының жоғалуы (FSPL) моделін пайдаланып жуықтауға болады, бұл шығындардың қашықтық пен жиілікпен артатынын көрсетеді. Дегенмен, қалалық немесе үй ішіндегі ортада модель шағылысулар мен кедергілерге байланысты күрделене түседі.
Іс жүзінде желі дизайнерлері қамтуды бағалау үшін далалық өлшеулер мен эмпирикалық модельдердің (мысалы, Окумура-Хата, COST-231 немесе үй ішіндегі модельдер) тіркесімін пайдаланады.
6. Көбеюге әсер ететін қоршаған орта факторлары
Көбеюге әсер ететін негізгі факторлардың кейбіріне мыналар жатады:
– Топография: төбелер, аңғарлар және құрлық контурлары LOS және дифракцияға әсер етеді.
– Ғимараттардың тығыздығы: қалалық орта көп жолды және көлеңкелі кеңістікті арттырады.
– Өсімдіктер: ағаштар, әсіресе ылғалды кезде, сигналдарды сіңіріп, шашыратады.
– Ауа райы: қатты жаңбыр жоғары жиіліктердегі, әсіресе спутниктік және мм толқынды байланыстардағы сигналдарды әлсіретуі мүмкін.
– Антенна биіктігі: әсіресе ұялы және радио желілері үшін LOS қамтуы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жақсы болады.
7. Антенна мен таралу арасындағы байланыс
Антенналар мен таралу бір-бірінен ажырамас. Жоғары күшейткіш антенна белгілі бір бағытта диапазонды арттыра алады, бірақ егер қоршаған орта көптеген шағылысуларды тудырса, жоғары бағытталған антенна шағылысқан жолда сигналды жоғалтуы мүмкін, бұл басқаша пайдалы болар еді. Керісінше, көп бағытты антенна көп жолды аймақтарда икемдірек, бірақ әдетте диапазоны қысқа болады. Сондықтан, сымсыз байланыс дизайны әрқашан антеннаның сипаттамаларын (үлгі, поляризация, күшейту) және таралу жағдайларын (LOS/NLOS, көп жолды, кедергілер) ескереді.
Қорытынды
Антенналардың және таралудың негізгі принциптері барлық сымсыз байланыс технологияларының негізі болып табылады. Антенналар радиожиілік энергиясының сәулелену үлгісі, күшейту, өткізу қабілеті және поляризация сияқты параметрлер арқылы қалай шығарылатынын немесе қабылданатынын анықтайды. Сонымен қатар, таралу толқынның шағылысу, дифракция, шашыраңқылық және жұтылу сияқты қиын орталар арқылы өтуін сипаттайды. Екеуін де түсіну арқылы біз қарапайым үй желілерінен бастап ұлттық деңгейдегі телекоммуникациялық инфрақұрылымдарға дейін сенімдірек, тиімдірек және бейімделген байланыс жүйелерін жасай аламыз.
Қаласаңыз, мен бұл мақаланы техникалық (формулалар мен есептеу мысалдарымен) немесе практикалық (Wi-Fi, ұялы байланыс базалық станцияларына немесе спутниктік байланысқа қолдану мысалдарымен) етіп бейімдей аламын.
